VUT, FAST, Brno ústav Technických zařízení budov

Transkript

1 Termo realizaci inooaných technicko-ekonomických VUT, FAST, Brno ústa Technických zařízen zení budo GG

2 . Úod Cykly lze cháat jako oběhy dějůd ři i kterých sledoaný objekt měním sůj j sta cestami, jež mají charakter uzařených křiek k sojující očáte teční a koncoý sta. V termomechanice jsou cykly sojeny se změnou skuenstí látky řičem emž: omocí ráce A umožň žňují řenos tela Q liem rozdílu telot Δt, konají ráci A. Cykly jsou fyzikáln lní děje, které lze osat II. zákonem termodynamiky a souisejícími staoými eličinami. inami. Průběh h cyklů lze zobrazit teelných diagramech, nař.. diagramu obr.. Tání Tuhnutí Q, Δt, A Obr. Schéma fázoých f změn

3 . Úod okračo oání MPa, 0 Teelný diagram grafické zobrazení cyklů K Hornímezníkřika eličiny, u, h,.. 5 Dolnímezníkřika eličiny, u, h, x = 0 x = x 0,0 0,0 0,03 0,04 Obr. Teelný diagram T m 3.kg - 3 4

4 . Charakteristika cyklů a. Působením energetických faktorů (telo, ráce) mění látky sůj sta, jenž lze osat staoými eličinami. b. Probíhá li změna stau látky sdílením tela s okolím a o sdílení ráce s okolím se látka rací do úodního stau ytořila sými změnami uzařený cyklus. c. Látka ykoná ráci tím, že rojde rocesem s účelně seřazenými změnami sého stau. Do ůodního stau se látka rací jinou cestou, než rocházela rní části rocesu. d. Dosáhne li látka ýchozího stau může se cyklus eriodicky oakoat. e. Cyklus teelných změn diagramu je atrný na obr II a a=a -a -a Obr. 3 Schéma teelného cyklu diagramu I 4 5

5 . Charakteristika cyklů okračo oání f. Pro oakoání tyického děje tzn. exanze zobrazené křikou I ze stau do, ři které se získá ráce (numericky se roná loše, ) se musí nařed raconí látka rátit do očátečního stau ašak jinou cestou než ůodní, rotože by se musela ykonat stejná ráce, která se získala. g. Při zětném růběhu děje ze stau do cestou II je nutno ynaložit komresní ráci (numericky se roná loše ), která je menší než exanzní ráce. 0 q II q a A=a -a -a I q h. Průběhem cyklu I II se získá ráce, jež je dána rozdílem ráce A exanzní a komresní a číselně se rona rozdílu loch od křikami. q Obr. 4 Ideoé schéma teelného cyklu 5 6

6 . Teelné cykly TS Teelné cykly (TC) zaedl S. Carnot (r. 94), jako rostředek ke sledoání změn řeměny tela ráci teelných strojích (TS). Modifikace dějů ředstaují řeměny ráce telo chladicích zařízeních (CZ). TC tořídůležitou asáž Termomechaniky. V oborech TZB se ulatní ak zejména ři řešení nárhu zařízení: Chlazení, ytáění, zduchotechniky a yužití obnoitelných zdrojů. b a CZ Komreso r 6 7 A Motor q q B Obr. 5 Schéma TC a CZ Exanzo r c d

7 . TC okračo oání Teelný cyklus je souhrn několika za sebou následujících dějů, ři jejichž růběhu se raconí látka dostane ze stau do stau a zět do ůodního stau dle obr. 6. Cykly mohou robíhat různých modifikacích. Pro jejich klasifikaci je zásadní směr jejich růběhu a charakter změn. Dle těchto asektů jsou cykly: II I q ratné a neratné římé a obrácené 0 q Obr. 6 Schéma teelného cyklu diagramu Vratné cykly toříratnéděje. Neratné obsahuje alesoň jeden neratný děj. 7 3

8 .3 PříméP cykly Přímé cykly jsou odstatou teelných motorů. Přímý cyklus rodukuje ráci omocí hnacího stroje tzn. motoru (nař. arního stroje). Vstuní odmínkou římého cyklu je řiedené telo q, jeho ýstuem je ráce A. Práce ykonaná exanzí je ětší než ráce nutná ro komresi. 0 MPa II q q I A m 3.kg V diagramu robíhají změny e směru hodinoých ručiček. q Schéma římého cyklu je na obr. 7. q Obr. 7 Ideoé schéma římého cyklu 8 8

9 .4 Obrácen cené cykly Obrácené cykly jsou odstatou teelných zařízení zejména chladicích zařízení a teelných čeradel. Vstuní odmínkou římého cyklu je ráce A ýstuem cyklu je odedené telo q. Cyklus slouží k ýrobě chladu, sotřeboáají ráci a diagramu robíhají obráceně. Obracený cyklus sotřeboáá ráci a je základem tz. hnaného stroje (nař. komresor). U tohoto stroje se dodaná ráce mění telo, takže telo odedené je ětší než telo řiedené. Schéma římého cyklu je na obr q q q q A Obr. 8 Ideoé schéma obraceného cyklu 9 9

10 .5 Alikace cyklů KB Teelné cykly nacházejí ulatnění teelných strojích a zařízeních (TSZ), ježtoří: funkční elementy, raconí látka. Pomocí změn staů látky TSZ lze získat ráci nebo telo. Změny stau ředstaují transformaci staoých eličin raconí látky, jejíž aktuální stay lze názorně zobrazit omocí grafů souřadnicích, h, T s aod. Tyické děje cyklů TSZ jsou komrese a exanze raconí látky charakterizoané změnami staoých eličin (,, T, h, s, x). K x=0 SM - MP P - PP Obr. 9 Diagram staů raconí látky Fáze raconí látky K kaalina P lyn, PP řehřátá ára SM směs, MP mokrá ára KB kritický bod x= 0 0

11 . Pois cyklů K oisu cyklu je ýchozí je energetická bilance. Primární složky bilance toří telo řiedené a odedené. Přiedené telo lze cyklu zobrazuje křika a I b, odedené telo znázorňuje křika b II a. Po matematickém yjádření uedených složek a úraách ro ráci cyklu latí: Práce cyklu je dána rozdílem řiedeného a odedeného tela. a = q q Ze ztahu ylýá, že během cyklu se ráci řemění ouze část řiedeného tela q. Podstatnou eličinou hodnocení římého cyklu je termická účinnost cyklu η t. η = t a q = q q q 0 q I b I II a Obr. 0 Schéma římého cyklu diagramu q

12 . Přímý P cyklus Praconí cykly skutečných strojů mají řibližně růběh, jenž lze nahradit idealizoanými růběhy a ratnými změnami. Tyickým říadem je cyklus arního stroje. Tořího toříolytroy (nebo adiabaty) 3 a 5, z izobar a 4 5 a z izochory 3 4. Schéma cyklu je na obr Obr. Schéma cyklu arního stroje diagramu -

13 . Přímý P cyklus okračo oání T s Obr. Schéma cyklu arního stroje diagramu T s a diagramu - 3 3

14 . Obrácený cyklus Pro termickou účinnost uzařeného cyklu latí: Z řiedeného tela se yužije jen část ro ráci a zbytek tela je odeden do okolí: q η t = q T η = T Účinnost ratného Carnotoa cyklu záisí ouze na absolutních telotách T, T nikoli na druhu raconí látky a na konstrukci stroje. U římého cyklu je účinnost tím ětší, čím ětší je rozdíl T T a čím je menší stuní telota T. 0 T T ě TB = konst. 4 q A q B 4 3 T A = konst. 3 Ideální oronáací roces ro chladicí roces je obrácený (neřímý) Carnotůroces, který je tořen následujícími staoých změnami: izotermickým yařoáním, izoentroickou komresí, izotermickou kondenzací a izoentroickou exanzí. Vtomto říadě je T < T a latí: ε c Obr. 3 Schéma Carnotoa cyklu T = T T 4 4

15 . Obracený cyklus okračo oání b A q c Komresor Motor Exanzor Carnotů cyklus je uzařený ideáln lní cyklus, ze kterého se chází ři řešení cyklů teelných strojů.. Skládá se z exanzní adiabaty a izotermy a z komresní adiabaty a izotermy. Proces chlazení je cyklus série s staoých změn s jednou změnou stau umožň žňující říjem tela ři i nízkn zké telotě rojeující se chladicím účinkem, a jednou změnou stau ři i odezdání tela ro středn ední telotu se změnou stau ři i říodu energie. a 0 b a q 5 5 c q q B adiabáty Obr. 4 Obracený Carnotů cyklus d d

16 . Obracený cyklus okračo oání Idealizoaný cyklus s =konst. Teelné bilance 3 k,t k =konst. q D = h c h c4 q Od = h c3 h c a = h c h c Práce komresoru n a =.. n. n n 4 0 h 3 =h 4 =konst. o,t o =konst. t t k h h Obr. 5 Schéma cyklu diagramu - h 6 6

17 . Obracený cyklus okračo oání Idealizoaný cyklus T T k 3 k 3 T o x = o x = 4 s 3 s 4 s = s s Obr. 6 Průběh obraceného cyklu diagramu T - s, schéma skladby zařízení 7

18 .3 Skutečné cykly Skutečné oběhy se od teoretických liší neratností dějů, jež zůsobí reálné růběhy dílčích ochodů robíhajících ři ýměně tela sokolím. Při řešení oběhu se ychází z idealizace Clausius Rankinoa oběhu, řičemž oroti Carnotou cyklu je izoentroická exanze nahrazena exanzí ro konstantní entalii ři škrcení, kdy telo a ráce nejsou ouze funkcí teloty, ale lastností chladia. q Tyickou eličinou hodnocení cyklu je chladicí faktor ε R. ε Od R = a Vyjadřuje kolikanásobné množstí tela se doraí z ýarníku s telotou T rací komresoru do lázně (kondenzátoru) o telotě T. Carnotů cyklus není realizoatelný bez ztrát. jeho ýznam sočíá tom, že každý technicky realizoatelný cyklus může být yhodnocen oronáním stímto sronáacím cyklem, yhodnocení je ak yjádřeno účinností: η = ε R /ε.c 8 8

19 .3 Skutečné cykly okračo oání Teelný diagram na obr. X znázor zorňuje skutečný oběh, zachycující odstatné odchylky od ideáln lního cyklu. V diagramu log h je čerchoaně zobrazen ideáln lní oběh h s adiabatickou komresí a odchlazoáním m kaaliny. Plně je naznačen skutečný oběh. Pro zřetelnost z jsou zeličeny eny tlakoé i teelné ztráty. ty. Δ d Δ =4 k, t k 6 6 h 6 h 6 o, t o * Obr. 7 Teelný diagram skutečného okruhu x * Δ o Δ k 9 9

20 .4 Alikace teelných cyklů Primární alikace teelných cyklů toříarní tz. komresoroý oběh. Je to oběh, kdy chladicího účinku se dosáhne yařoáním chladia a k yození nutného tlaku ři yařoání i ke komresi chladia je oužito komresoru (objemoého, turbokomresoru) oháněného mechanicky. Princiiální schéma okruhu, němž arní oběh robíhá, je na obr. 8. (K = komresor, V = ýarník, C = kondenzátor, RV = škrticí orgán) Příodem tela Q o chlazenou látkou do ýarníku se chladio yařuje a je odsááno komresorem. K dosažení žádané teloty chlazené látky na ýstuu zýarníku, musí být yařoací telota nižší o rozdíl telot δ m nutný ro řenos tela. Středoeroské centrum ro h ytáření a 0 0

21 .4 Alikace teelných cyklů okračo oání t s o,t o. P K C t w t w Q k δ t o chlazená látka chladio t s t o δ m Q o t s V 3 t k chladio t k δ m t s 4 RV δ t w ohříaná látka t w Obr. 8 Schéma skladby arního okruhu a růběhu telot Středoeroské centrum ro h ytáření a 0

22 3. Literatura Hloušek J. a kol.: Termomechanika. Nakladatelstí VUT Brně. Brno 99. Brno, GG/06